濕法消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測(cè)定水凝膠中Mg的含量

張芬芬 劉曉云 楊 明

(東華大學(xué) 分析測(cè)試中心,上海 201620)

鎂元素在我們生活中起著非常重要的作用,隨著科技的發(fā)展,Mg合金已普遍應(yīng)用于汽車、航天、機(jī)械鑄造等領(lǐng)域。除此之外,鎂元素在維持人體的生命活動(dòng)中也是必不可少的。其在人體中的豐富性僅次于K,是能量代謝、蛋白質(zhì)和核酸合成等酶促反應(yīng)的關(guān)鍵輔助因子[1]。目前臨床中已經(jīng)使用的含有鎂元素的藥物也日益增多,具有保護(hù)神經(jīng)、降低血壓,治療先兆子癇等作用[1-2]。水凝膠是能被水溶脹的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物,由于具有較好的生物相容性,已被廣泛用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[3-5]。水凝膠與金屬元素相結(jié)合,既保留了水凝膠的特點(diǎn),又發(fā)揮了金屬粒子的優(yōu)勢(shì),近年來的研究越來越多[6-8]。但是目前為止,國(guó)內(nèi)外并沒有相關(guān)的方法測(cè)定金屬復(fù)合水凝膠中Mg的絕對(duì)含量,較多的是采用透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)其進(jìn)行半定量[9]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)由于可以同時(shí)測(cè)試多種元素,應(yīng)用越來越廣[10-12]。然而,在實(shí)際應(yīng)用ICP-AES測(cè)試水凝膠中金屬元素含量時(shí),往往因?yàn)闃悠非疤幚聿缓线m,造成儀器進(jìn)樣系統(tǒng)堵塞,進(jìn)而使得測(cè)試結(jié)果偏差較大。

基于以上問題,本文采用了濕法消解自制的海藻酸鈉水凝膠,考察了HNO3和HNO3-HClO4(1∶1,V/V)兩種體系濕法消解以及HNO3-微波消解法對(duì)樣品的消解效果,然后用ICP-AES儀測(cè)定消解液中的Mg含量。由于沒有含Mg水凝膠的標(biāo)準(zhǔn)樣品,回收率實(shí)驗(yàn)采用加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的方式,結(jié)果令人滿意。表明該方法滿足水凝膠中Mg的絕對(duì)含量測(cè)定,為水凝膠中Mg的定量分析提供了科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(利曼科技發(fā)展有限公司,Prodigy和Prodigy Plus;安捷倫科技發(fā)展有限公司,Agilent 725;珀金埃爾默股份有限公司,Avio 500);電子天平(奧豪斯,感量0.1 mg),控溫電熱板(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)。硝酸、高氯酸均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,多元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液夠自默克化工技術(shù)(上海)有限公司;含Mg的海藻酸鈉水凝膠樣品,自制。

1.2 樣品的前處理方法

準(zhǔn)確稱取0.1 g水凝膠試樣(精確至0.000 1 g),加入硝酸5 mL,蓋上表面皿,置于電熱板上,110 ℃加熱2 h,取下冷卻至室溫后,加超純水定容至25 mL容量瓶中,搖勻,備用;另取相同質(zhì)量的樣品,分別加入2.5 mL硝酸-2.5 mL高氯酸,于電熱板上,110 ℃加熱2 h,取下冷卻至室溫后,定容至25 mL容量瓶中,搖勻,備用;同樣,稱取相同質(zhì)量的樣品于聚四氟乙烯消解罐內(nèi),加入硝酸5 mL,蓋好蓋子,放入微波消解儀內(nèi),設(shè)定好程序:80 ℃,5 min;100 ℃,5 min;110 ℃,5 min。待樣品消解完畢,加入超純水,定容至25 mL搖勻,備用。每份樣品制備3個(gè)平行樣,隨行做空白實(shí)驗(yàn)。

Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:分別移取1 000 mg/mL的Mg標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液0、0.10、0.20、0.50和1.00 mL,置于100 mL容量瓶中,用硝酸(1+19)稀釋至刻度,搖勻。分別得到濃度為0、1.00、2.00、5.00和10.00 mg/mL的Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 樣品的測(cè)試

待ICP-AES儀運(yùn)行穩(wěn)定后,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液及相應(yīng)樣品的測(cè)試。以279.078 nm譜線為分析線,RF功率1.1 kW、積分時(shí)間5 s、霧化器壓力0.4 MPa、冷卻氣流量20.0 L/min、蠕動(dòng)泵泵速30 r/min、等離子體氣流量10.0 L/min、采樣3次。根據(jù)公式(1)計(jì)算樣品中Mg的含量。

(1)

式中:

W—待測(cè)元素的含量,mg/g;

C—試液中待測(cè)元素的濃度,μg/mL;

C0—空白試液中待測(cè)元素的濃度,μg/mL;

V—被測(cè)試液的體積,mL;

d—稀釋因子;

m—樣品的質(zhì)量,mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品消解體系的選擇

水凝膠是一類具有80%含水量和獨(dú)特3D網(wǎng)絡(luò)的高分子材料[13],較高的含水量使得這類材料水溶性好,相對(duì)較容易溶解。然而ICP-AES測(cè)試的樣品是澄清透明的水溶液,單純的溶解并不能將大分子中的有機(jī)物徹底消解,因此需要加入無機(jī)酸并加熱處理。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中采用的含Mg海藻酸鈉水凝膠,實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)稱樣量為0.10 g,加入硝酸5 mL,電熱板溫度為80 ℃時(shí),加熱1 h會(huì)有少許的絲狀混懸物存在,升高溫度到110 ℃,繼續(xù)加熱1 h,得到澄清透明液體。為了驗(yàn)證樣品是完全消解,同樣的樣品分別加入硝酸和高氯酸2.5 mL,110 ℃加熱2 h,得到澄清透明的液體。更進(jìn)一步,采用微波消解方法:稱取相同質(zhì)量的樣品,加入硝酸5 mL,用微波加熱到80 ℃,保持5 min,再升溫至100 ℃,保持5 min,最后到110 ℃,保持5 min,冷卻后得到澄清透明溶液。將上述三種方法處理的樣品進(jìn)入ICP-AES測(cè)試,結(jié)果基本相同,見表1。這說明,對(duì)于0.1 g左右的含Mg海藻酸鈉水凝膠樣品,無論是硝酸還是硝酸-高氯酸體系,溫度要足夠高(110 ℃),消解時(shí)間要足夠長(zhǎng)(2 h)。單純的硝酸消解體系在80 ℃加熱2 h,仍有少許混懸物存在,究其原因,應(yīng)該是高分子鏈在硝酸體系中未斷裂完全。升高溫度,體系氧化能力增強(qiáng);加入高氯酸,同樣提升了體系的氧化能力;微波消解法,體系高溫高壓,氧化能力進(jìn)一步提高,將高分子碳鏈徹底斷裂,得到澄清透明溶液?？紤]到實(shí)驗(yàn)的可操作性及適用性,后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用體系一,即稱取0.1 g左右水凝膠樣品,加入5 mL硝酸,于110 ℃在電熱板上加熱2 h,然后加超純水定容,采用ICP-AES測(cè)定Mg的含量,并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 不同消解體系的Mg含量測(cè)試對(duì)比Table 1 Comparison of Mg content in different digestion systems

2.2 樣品量的選擇

實(shí)驗(yàn)中所用的水凝膠樣品,取樣量大,不利于有機(jī)物的完全分解;取樣量小雖利于有機(jī)物的分解,但取樣不具有代表性易造成系統(tǒng)誤差,且測(cè)定濃度低,也會(huì)增大測(cè)定誤差。綜合考慮,實(shí)驗(yàn)稱取樣品0.1 g左右,用HNO3濕法消解后,定容到25 mL容量瓶中,測(cè)定結(jié)果正好在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)。

2.3 儀器測(cè)定條件的選擇

實(shí)驗(yàn)研究了不同的RF功率、積分時(shí)間、霧化器流速以及不同的譜線、對(duì)于Mg信號(hào)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),279.078 nm譜線強(qiáng)度適中,干擾少,于是選擇279.078 nm為分析譜線。

2.3.1 RF功率的影響

保持其他條件不變,將霧化器RF功率從1.0～1.3 kW進(jìn)行改變。結(jié)果如表2所示,當(dāng)Mg的濃度為2 μg/mL時(shí),隨著功率的增加,Mg的信號(hào)強(qiáng)度隨之增加,功率為1.1 kW時(shí),信號(hào)穩(wěn)定性好,因此,選擇RF功率為1.1 kW。

表2 不同RF功率對(duì)譜線穩(wěn)定性的影響Table 2 Influence of RF power on the stability of spectral line

2.3.2 積分時(shí)間的影響

同樣地,保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變,以2 μg/mL的Mg標(biāo)液為例,將積分時(shí)間3～10 s 進(jìn)行改變,測(cè)試Mg的信號(hào)強(qiáng)度。結(jié)果如表3所示。當(dāng)積分時(shí)間在3～10 s 改變時(shí),Mg的信號(hào)強(qiáng)度隨著積分時(shí)間的增加而增加,當(dāng)積分時(shí)間為5 s時(shí),Mg的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值。為了節(jié)省時(shí)間,選擇積分時(shí)間為5 s。

表3 不同積分時(shí)間對(duì)譜線穩(wěn)定性的影響Table 3 The influence of different integration time on the stability of spectral lines

2.3.3 霧化器流速的影響

霧化器流速對(duì)于霧化效率、樣品的停留時(shí)間及樣品提升量有顯著影響。保持其他條件不變,將霧化器壓力在0.2～0.8 MPa進(jìn)行改變,測(cè)試Mg的信號(hào)穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)霧化器壓力為0.4 MPa時(shí),Mg的信號(hào)穩(wěn)定性最好,壓力過低或者過高均會(huì)降低信號(hào)穩(wěn)定性。于是實(shí)驗(yàn)選擇霧化器壓力為0.4 MPa。

綜合考慮,實(shí)驗(yàn)以279.078 nm譜線為分析線,RF功率1.1 kW、積分時(shí)間5 s、霧化器壓力0.4 MPa、冷卻氣流量20.0 L/min、蠕動(dòng)泵泵速30 r/min、等離子體氣流量10.0 L/min、采樣3次,該測(cè)試條件下,0、1.00、2.00、5.00和10.00 μg/mL的Mg與相應(yīng)的強(qiáng)度曲線如圖1所示,y=15549x+940,R2=0.9998,線性良好。

圖1 Mg濃度與強(qiáng)度的線性關(guān)系圖Figure 1 Linear relationship between Mg concentration and intensity

2.4 精密度實(shí)驗(yàn)

稱取水凝膠樣品三份,按照實(shí)驗(yàn)方法消解后,分別于日內(nèi)和日間采用不同廠家及不同型號(hào)的ICP-AES測(cè)定水凝膠中Mg的含量,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次,計(jì)算平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。由表4可知,測(cè)得日內(nèi)和日間Mg含量分別為1.34 mg/g和1.36 mg/g;相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n=3)分別為0.38%和1.2%,表明該方法精密度良好。

表4 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Precision of the quantitative tests

2.5 方法準(zhǔn)確度

由于沒有含Mg的海藻酸鈉水凝膠標(biāo)準(zhǔn)樣品,實(shí)驗(yàn)將含有Mg的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到水凝膠樣品中,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。分別精密稱取三份加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的水凝膠樣品,按照實(shí)驗(yàn)方法消解后,采用ICP-AES法測(cè)試,每個(gè)樣品測(cè)試3次,取平均值計(jì)算Mg含量,具體結(jié)果見表5。由表5可知,水凝膠的加標(biāo)回收率在97.6%～98.2%,滿足GB/T 27404—2008的要求(回收率在95%～105%)。說明方法準(zhǔn)確可靠,滿足水凝膠中Mg的含量測(cè)定。

表5 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of standard recovery tests

3 結(jié)論

水凝膠作為新型功能材料,其應(yīng)用從低值醫(yī)用耗材到高端藥物輸送技術(shù),從外用敷料到體內(nèi)組織支架等在材料領(lǐng)域大放異彩,但是國(guó)內(nèi)外對(duì)于其所含的金屬元素測(cè)試方法卻鮮有報(bào)道。因此,建立準(zhǔn)確、可靠的金屬復(fù)合水凝膠的前處理方法進(jìn)而測(cè)定相關(guān)金屬元素具有極其重要的意義。本實(shí)驗(yàn)首次采用濕法消解樣品后,用ICP-AES法測(cè)定Mg,操作簡(jiǎn)便,適用性強(qiáng)、精密度良好,為水凝膠材料的分析檢測(cè)提供了一種參考。